Wie in de wetenschap een chip ontwerpt en daarover wil publiceren, moet als bewijs de chip fysiek laten produceren en een foto ervan in het artikel plaatsen. Die chips produceren kan alleen bij chipfabrieken, ook wel foundries genoemd. TSMC in Taiwan is een voorbeeld van zo’n fabriek. Elke dag produceert TSMC miljoenen chips. Ook de Integrated Circuits-groep bij Electrical Engineering, waarvan hoogleraar Peter Baltus tot voor kort hoofd was, maakt voor onderzoek gebruik van onder andere die foundry. “We laten zo’n vijf keer per jaar chips maken. Van elk ontwerp krijg je dan 25 of 50 stuks. We krijgen daar een flinke korting op en dan nog kost het ongeveer 25.000 euro per ontwerp.”

Die kosten zijn voor het wetenschappelijk onderzoek echter niet het grootste probleem. Een veel grotere impact heeft het feit dat grote commerciële partijen veel technische specificaties van de ontwikkeling van de chip geheim willen houden. Onderzoekers die bij zulke fabrieken een chip willen laten maken, moeten daarom eerst een geheimhoudingsovereenkomst (NDA) ondertekenen. Daardoor is het onmogelijk het onderzoek te reproduceren, terwijl dat een fundamenteel principe van wetenschappelijk onderzoek is.

Geblurde afbeeldingen

Door het gebrek aan informatie kunnen reviewers van wetenschappelijke tijdschriften onmogelijk controleren of alles in de publicatie klopt. Baltus: “Reviewers kijken naar het artikel en denken: het verhaal is aannemelijk, het is een stap vooruit ten opzichte van wat er al was, het zou kunnen kloppen.” Maar zeker weten doen ze het niet, want er mist informatie die door de geheimhoudingsplicht niet naar buiten mag komen. “We denken dat het grootste deel van de publicaties wel klopt, maar dat is meer een gevoel.” Ter illustratie laat postdoc Elles Raaijmakers een publicatie zien in het gerenommeerde tijdschrift Nature. In de bijlage staan geblurde afbeeldingen, vanwege de NDA. “Daar kun je dus helemaal niets mee.”

Een voordeel van de chipindustrie is wel dat simpelweg door de chip te testen je erachter kunt komen of die werkt of niet. Toch zijn er onderzoeken bekend waarbij de wetenschapper de resultaten volledig uit zijn duim zoog. Baltus noemt het voorbeeld van Adrian Maxim, een onderzoeker uit de Verenigde Staten van wie zeker 48 publicaties teruggetrokken zijn. “Hij was heel bekend, stond als keynote speaker op allerlei conferenties en had geweldige resultaten. Later bleek dat hij de chips nooit had laten maken, de metingen had verzonnen en de foto’s van de chips met Photoshop had gemaakt. Zelfs zijn co-auteurs bestonden niet.”

Het duurde jaren voordat de fraude van Maxim ontdekt werd, en dat kwam volgens Baltus grotendeels doordat niemand zijn resultaten kon controleren vanwege de NDA. “Als andere mensen zijn chips zouden willen namaken, dan kon hij zeggen: ‘De chip wijkt af, maar ik mag niet zeggen hoe’.” 

Grote belangen

Grote foundries die de nieuwste technologieën gebruiken, willen om voor de hand liggende redenen niet dat alle informatie over het productieproces openbaar wordt. Baltus: “Ze hebben enorme investeringen gedaan. En als een foundry zelfs maar 10 procent minder verkoopt omdat een concurrent het ‘recept’ van het productieproces heeft gekaapt, dan scheelt dat al makkelijk miljoenen euro’s per dag.” Kortom: die grote commerciële bedrijven hebben geen enkel belang bij het openstellen van alle specificaties van het productieproces. 

Partijen die dat wél hebben, zijn verouderde chipfabrieken. Die zien klanten vertrekken naar foundries met modernere processen en kunnen daardoor niet genoeg productie draaien, legt Baltus uit. Vijf jaar geleden is daar de eerste open source foundry uit voortgekomen, waarbij Google een grote rol speelde. Er bestaan inmiddels twee opensource-chipfabrieken en een derde maakt momenteel een doorstart. Wanneer de specificaties van een productieproces niet meer grotendeels geheim zijn, biedt dat de transparantie die de wetenschap nodig heeft, stelt Baltus. Het is niet zo dat nu alle chips die voortkomen uit wetenschappelijk onderzoek door die fabrieken gemaakt kunnen worden, maar Raaijmakers heeft met promovendus Jelle Verest wel de eerste stap gezet, door chips bij een opensourcefabriek te laten produceren. Het heeft een jaar geduurd, maar ze zijn net binnen.

Chips valideren

Met de chips willen ze precies gaan doen wat tot nu toe nooit mogelijk was: de modellen valideren. “Jelle heeft van een aantal bestaande modellen doorgerekend hoe snel de chips zouden moeten kunnen rekenen. Hij kwam uit op 125 Gigahertz (GHz), maar dat kan niet kloppen. Dat is veel te snel, echt een factor vier te snel zelfs, denken wij”, aldus Raaijmakers. Het ontwerp van de chips heeft Verest nagemaakt, nu ze binnen zijn kan hij ze zelf gaan doormeten om de rekenkracht te bepalen.

Als inderdaad blijkt dat de maximale frequentie waarop de chip kan werken maar 35 GHz is, zoals Raaijmakers verwacht, kunnen de onderzoekers die informatie delen met de persoon die het model onderhoudt. Die kan het op zijn beurt verbeteren. “Dat is hoe chiponderzoek zou moeten werken”, zegt Baltus. “Op deze manier kun je veel sneller en efficiënter voortbouwen op wat je voorgangers hebben gedaan.”

Is dat echter niet achterhaald, aangezien grote fabrieken al vele stappen verder zijn met hun technologieën dan de oudere open source foundries? Baltus denkt van niet, omdat op het gebied van chipdesign bedrijven intern misschien wel veel onderzoek kunnen doen met de nieuwste technologieën, maar beperkte capaciteit hebben en slechts gelimiteerd kennis kunnen uitwisselen met andere partijen. In de opensource-gemeenschap ben je met meer en daar kun je volgens hem een heel eind mee komen. Dat onderschrijft Raaijmakers: “Een voorbeeld dat ik graag aanhaal, is een game waarin je eiwitten leert vouwen. Dat is een soort enorme 3D-puzzel, waarbij je steeds meer mogelijkheden krijgt. Dat spel heeft tienduizenden gebruikers. Vaak zijn dat mensen die nul verstand hebben van eiwitten, maar wel met nieuwe ideeën komen. Zo hebben spelers met het spel een eiwitstructuur sneller ontdekt dan een supercomputer.”

Chips ontwerpen

Het inspireerde haar om ook op het gebied van chipontwerp een eigen game te maken, om zo bij te dragen aan de ‘kritische massa’ die nodig is om het opensource-concept binnen de chipwereld aan de gang te krijgen. In het spel, dat nu in ontwikkeling is, leren spelers stukje bij beetje hoe je een chip opbouwt. In eerste instantie is die game bedoeld voor studenten, maar uiteindelijk moet het spel ook beschikbaar worden voor iedereen die daar interesse in heeft. Raaijmakers: “We hopen dat mensen er chips mee gaan ontwerpen die straks ook echt kunnen worden gemaakt.” Naast het spel lopen er meer projecten om mensen aan het ontwerpen te krijgen, beginnend met bestaande speelpakketten voor kinderen vanaf acht jaar, die Raaijmakers via bibliotheken in de regio verspreidt.

Er zijn ontelbaar veel toepassingen voor mogelijke chips die nu totaal onbenut blijven, omdat het simpelweg niet te betalen is, vertelt Baltus. “Een project waar we mee bezig zijn gaat over de inspectie van het waterleidingnet. Er lekt drinkwater weg uit dat net, en een lek vinden is waanzinnig duur. Als je nou continu je netwerk kunt monitoren door op elke paar meter een chip te plaatsen, dan heb je dat probleem niet meer.” Als de opensourcefabrieken het mogelijk maken om efficiënt en goedkoop kleine oplages te maken, dan schept dat volgens hem mogelijkheden voor dit soort toepassingen. 

Koopje

Die kleine oplages zijn mogelijk omdat de foundries meerdere projecten op een wafer – een soort basisplaat – kunnen plaatsen. Zo kunnen veel gebruikers samen de kosten betalen voor het productieproces. Daardoor kostten ook de honderd chips die Raaijmakers net binnenkreeg van de opensourcefabriek ‘maar’ tienduizend euro. “Een koopje.”

Zou deze ontwikkeling echt een grote verandering binnen de chipontwikkeling en de wetenschap kunnen bewerkstelligen? Zowel Baltus als Raaijmakers geven daarop een voorzichtige ja. Maar dan moet je een voldoende grote community op weten te bouwen die zich met chipontwerp bezig wil houden, benadrukt Baltus. Als de opensourcefabrieken echt een vlucht zouden nemen, zou dat volgens hem zeker positief zijn voor de wetenschap. “Al is het maar omdat commerciële partijen dan het resultaat van ons werk niet meer ‘gegijzeld houden’. Als er meer openheid komt, dan zou me dat geruststellen.”